CN114326492B - 一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统 - Google Patents
一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种大型流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，所述系统包括：流程工业设备、3D打印动态模型、数字孪生系统。本申请能够通过3D打印动态模型预先展示流程工业设备的整体效果，并通过动态仿真同步运行展示实际运行效果，并且通过传感器获取相应设备运行状态参数，通过单片机调整运行参数，最后调整后的运行参数，可供真实系统使用或参考；而数字孪生系统不仅能够获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数，还可通过输入指令进行虚拟仿真、3D打印动态模型的实物仿真、以及操作流程工业设备的作业机组的运行。
Description
技术领域
本申请涉及数字孪生系统、系统管理技术领域，特别是涉及一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统。
背景技术
通常针对流程工业设备的新设计或调整，是构建各组件实物后进行组装调试。但是，一方面设计方案或调整方案初期的结构模型或运行效果无法直观和准确的获取，需要庞杂的实物系统搭建完毕后，才能够获取；另一方面，为调整一些零部件的参数，系统需要实物运行或测试才能够完成，但这个过程往往造成资源浪费。
另外，无论对流程工业设备构建还是改进，都需要实物或虚拟模型来演示，但其会忽略或无法发现实物运行时存在的状况，通常还缺少实物的演示。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，以解决现有技术中虚拟模型与实物模型缺少虚实联动的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，所述系统包括：流程工业设备，其上设有多种传感器，以实时检测各作业机组的真实运行状态参数；3D打印动态模型，其根据所述流程工业设备对应的三维数字孪生系统通过3D打印而成；其中，所述3D打印动态模型的各作业机组模型设置有动力总成与电力总成，以仿真各作业机组部分或全部的运行状态；所述3D打印动态模型的各所述作业机组模型相应设有多种传感器，以获取相应的模型运行状态参数；数字孪生系统，其依据所述设备构建的三维数字模型；其中，所述数字孪生系统用于获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数；以及通过输入仿真指令令所述数字孪生系统进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型的各作业机组模型进行实物仿真；或通过输入操作指令操作所述流程工业设备的各作业机组的运行。
于本申请的一实施例中，所述数字孪生系统获取方式包括：基于流程工业设备的关键机组设备与地形厂房的CAD图纸、现场实景图及影像资料，利用点云扫描技术生成等价数字化的数字孪生系统；对生成的数字孪生系统进行减面、结构调整及外观调整处理，并完成贴图制作。
于本申请的一实施例中，所述作业机组包括：定宽机、粗轧机、精轧机、飞剪切头、力推炉、时效炉、艾伯纳辊低炉、拉伸机、卷取机中任意一种或多种。
于本申请的一实施例中，所述真实运行状态参数或模型运行状态参数包括：电流、电压、温度、压力、扭力、角度、转速、位移及功率中任意一种或多种。
于本申请的一实施例中，所述3D打印动态模型包括：单片机、通信器、电机、控制线缆、加热器、水泵、传感器，以供部分还原流程工业设备的运行状态，或依据所述数字孪生系统发出的输入调试执行相应运动。
于本申请的一实施例中，所述流程工业设备、3D打印动态模型及数字孪生系统之间通信连接，以供实现三者之间实时的虚实联动；所述通信连接方式包括有线网络和/或无线网络；其中，所述有线网络通信包括：以太网和/或RS485；所述无线网络包括：GPRS、NB-IOT、4G、5G及WiFi中任意一种或多种组合。
于本申请的一实施例中，所述3D打印动态模型的各作业机组模型与所述流程工业设备的各作业机组均遵循相应的尺寸比；各所述作业机组模型所提供的运行参数与各作业机组提供的运行参数同样遵循相应的比例。
于本申请的一实施例中所述操作指令依据虚拟仿真的结果和/或实物仿真的结果进行设置；和/或，所述仿真指令依据所述真实运行状态参数进行设置。
综上所述，本申请提供的一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，所述系统包括：流程工业设备，其上设有多种传感器，以实时检测各作业机组的真实运行状态参数；3D打印动态模型，其根据所述流程工业设备对应的三维数字孪生系统通过3D打印而成；其中，所述3D打印动态模型的各作业机组模型设置有动力总成与电力总成，以仿真各作业机组部分或全部的运行状态；所述3D打印动态模型的各所述作业机组模型相应设有多种传感器，以获取相应的模型运行状态参数；数字孪生系统，其依据所述设备构建的三维数字模型；其中，所述数字孪生系统用于获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数；以及通过输入仿真指令令所述数字孪生系统进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型的各作业机组模型进行实物仿真；或通过输入操作指令操作所述流程工业设备的各作业机组的运行。
具有以下有益效果：
本申请能够通过3D打印动态模型预先展示流程工业设备的整体效果，并通过动态仿真同步运行展示实际运行效果，并且通过传感器获取相应设备运行状态参数，通过单片机调整运行参数，最后调整后的运行参数，可供真实系统使用或参考；而数字孪生系统不仅能够获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数，还可通过输入指令进行虚拟仿真、3D打印动态模型的实物仿真、以及操作流程工业设备的作业机组的运行。
附图说明
图1显示为本申请于一实施例中基于虚拟总表的需量统计分析方法的流程示意图。
图2显示为本申请于一实施例中3D打印动态模型的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
为解决上述问题，本申请提出一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，利用动态3D预先打印所需系统组件，然后基于数字孪生技术实现虚实联动，可对机组预先进行效果展示和参数的调试。
如图1所示，展示为本申请于一实施例中的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统的结构示意图。如图所示，所述系统包括：
流程工业设备100，其上设有多种传感器，以实时检测各作业机组的真实运行状态参数。
于一些示例中，于本申请一实施例中，所述作业机组包括但不限于：定宽机、粗轧机、精轧机、飞剪切头、力推炉、时效炉、艾伯纳辊低炉、拉伸机、卷取机中任意一种或多种。
本申请中所述的流程工业设备100可以是上述作业机组中的一个，也可以是多个的组合系统。
于本申请一实施例中，所述真实运行状态参数或模型运行状态参数包括但不限于：电流、电压、温度、压力、扭力、角度、转速、位移及功率中任意一种或多种。其中，在各作业机组中多个关键位置设置传感器，其中传感器包括多种，如速度传感器、角度传感器、温度传感器、压力传感器等等，凡能够反映或表征该作业机组运行时的状态都可涵盖于本申请传感器所检测的真实运行状态参数范围内。
3D打印动态模型200，其根据所述流程工业设备100对应的三维数字孪生系统300通过3D打印而成；其中，所述3D打印动态模型200的各作业机组模型设置有动力总成与电力总成，，以仿真各作业机组部分或全部的运行状态；所述3D打印动态模型200的各所述作业机组模型相应设有多种传感器，以获取相应的模型运行状态参数。
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用可粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
简单来说，所述3D打印动态模型200可以根据数字孪生系统300的三维数字模型来进行打印，目前随着3D打印设备的不断发展，对打印所需的三维数字模型要求越来越简单便捷，因此，本申请可直接利用所获得的三维数字模型进行打印，当然利用其它现有对应流程工业设备100是三维模型也可打印得到。
需要说明的是，传统大型流程工业设备要么是通过大型实物展示，要么是通过虚拟模型展示，而受大型实物现场的场地、环境等限制，有时无法了解整体结合和某些具体流程上的细节及运行状态，而虚拟模型则无法感受真实设备及真实运行环境。因此，本申请提出了通过3D打印动态模型，以介于大型实物与虚拟之间的展示或演示形态，能够很好的解决二者所存在的不足，并且可以直观、可视的展示实物各设备细节，以及了解各设备的运行状态或流程细节。
于本申请一实施例中，所述3D打印动态模型200包括：单片机、通信器、电机、控制线缆、加热器、水泵、传感器，以供部分还原流程工业设备100的运行状态，或依据所述数字孪生系统300发出的输入调试执行相应运动。
如图2所示，展示为3D打印动态模型200的结构示意图。简单来说，所述3D打印动态模型200包括：单片机/PLC，可用于接收传感器检测的作业机组模型的行状态参数，电机连接单片机，并与3D打印的作业机组模型相连接，经过运算，可用于调整电机运行参数。
优选地，本申请所述3D打印动态模型200中的单片机通过获取作业机组模型的行状态参数，可来调整电机的输出，以供调整打印的作业机组模型为最优运行状态，而单片机所获取以及调整的相关参数，可直接反馈至数字孪生系统300，并且所述流程工业设备100的运行参数也可反过来输入单片机进行仿真，二者的参数可相互交换和使用，从而于一方面实现流程工业设备100的虚实联动。
优选地，所述3D打印动态模型200的各作业机组模型与所述流程工业设备100的各作业机组均遵循相应的尺寸比；各所述作业机组模型所提供的运行参数与各作业机组提供的运行参数同样遵循相应的比例。
简单来说，所述3D打印动态模型200除了在尺寸上对应所述流程工业设备100相应缩小外，因3D打印动态模型200不具有流程工业设备100的真实属性，因此各作业机组模型所设置的动力总成与电力总成等提供的运行参数，也是对应各作业机组提供的运行参数相应缩小，当然，对于高温或高压等作业环境也是无法提供的，但本申请可通过调整模型运行状态参数来模拟获得，在多数情况下，所述3D打印动态模型200更主要是起到展示、调试、演示的作用。而更多真实监测流程工业设备100的设备状况或产能、车间状况等情况，还主要是依赖数字孪生系统300。
数字孪生系统300，其依据所述设备构建的三维数字模型；其中，所述数字孪生系统300用于获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数；以及通过输入仿真指令令所述数字孪生系统300进行进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型200的各作业机组模型进行实物仿真；或通过输入操作指令对操作所述流程工业设备100的各作业机组的运行。
数字孪生是通过建立物理实体的虚拟仿真模型，结合传感器信息采集技术，将物理实体设备的运行反馈到建立的虚拟仿真模型中，完成真实环境的行为、规则、策略等信息的展示与反馈，从而实真实际设备的全生命周期系统检测、过程展示和系统优化等功能。
于本申请一实施例中，所述数字孪生系统300获取方式包括：基于流程工业设备100的关键机组设备与地形厂房的CAD图纸、现场实景图及影像资料，利用点云扫描技术生成等价数字化的数字孪生系统300；对生成的数字孪生系统300进行减面、结构调整及外观调整处理，并完成贴图制作。
举例来说，以流程工业设备100关键机组或地形厂房等为建设对象，基于流程工业设备100关键机组设备或地形厂房等CAD图纸、现场实景图和相关视频影像资料，利用点云扫描技术生成等价数字孪生系统300；同时，基于生成的数字孪生系统300进行减面、结构调整和外观调整等后处理工作，并完成模型的贴图制作，交付不少于30个数字孪生系统300及配套贴图文件。其中，流程工业设备100关键机组或厂房地形数字孪生系统300应符合真实机组设备的尺寸比例；数字孪生系统300贴图颜色等应和真实机组设备或厂房地形一致。数字孪生系统300素材应适配常规三维模型编辑软件，如3dsmax等。
于本申请一实施例中，所述流程工业设备100、3D打印动态模型200及数字孪生系统300之间通信连接，以供实现三者之间实时的虚实联动；所述通信连接方式包括有线网络和/或无线网络；其中，所述有线网络通信包括：以太网和/或RS485；所述无线网络包括：GPRS、NB-IOT、4G、5G及WiFi中任意一种或多种组合。
于一或多个实施例中，所述操作指令依据虚拟仿真的结果和/或实物仿真的结果进行设置；和/或，所述仿真指令依据所述真实运行状态参数进行设置。
需要说明的是，本申请通过流程工业设备100、3D打印动态模型200、及数字孪生系统300之间的信息实时传递，可实现三者之间的虚实联动。
流程工业设备100与3D打印动态模型200之间的联动：二者之间的联动更多用于展示和演示。如当流程工业设备100还没有构建，或需要改动一些作业机组时，可预先通过3D打印动态模型200进行展示和演示。
须知的是，目前大部分沙盘或仿真模型大多仅仅是静态展示或加入声光电的效果展示，并没有提供可真实实现对标设备相应的一些运行操作，因此，3D打印动态模型200与流程工业设备100之间的联动大大被低估了。
例如，当需要检验某机械结构的耐久性或特定性能时，大多是通过单体零件进行检验或通过三维模型仿真实验。但这些大部分都忽略了该零件在设备中的整体结果以及与其他零件之间的相关影响关系。而本申请可通过真实比例还原流程工业设备100的3D打印动态模型200来进行相关检验，其中的相关参数在理论缩放后，可获得较为准确可靠的检验结果。
流程工业设备100与数字孪生系统300之间的联动：数字孪生系统300主要就是起到中控系统的作用，即数字孪生系统300获取并显示流程工业设备100上真实运行状态参数，而数字孪生系统300可对其进行分析、统计、预警等运算处理，并可输入指令来控制流程工业设备100各作业机组的运行。
数字孪生系统300与3D打印动态模型200之间的联动：如当需要新增作业机组的一些运行数据时，也可以通过3D打印动态模型200的真是运行来获取具有参考价值的运行数据。
本申请能够通过3D打印动态模型200预先展示流程工业设备100的整体效果，并通过仿真运行展示运行效果，并且通过传感器获取相应模型运行状态参数，可供单片机调整运行参数，最后调整后的运行参数，可供真实系统使用或参考；而数字孪生系统不仅能够获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数，还可通过输入指令进行虚拟仿真、3D打印动态模型的实物仿真、以及操作流程工业设备的作业机组的运行。
综上所述，本申请提供的一种流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，所述系统包括：流程工业设备，其上设有多种传感器，以实时检测各作业机组的真实运行状态参数；3D打印动态模型，其根据所述流程工业设备对应的三维数字孪生系统通过3D打印而成；其中，所述3D打印动态模型的各作业机组模型设置有动力总成与电力总成，以仿真各作业机组部分或全部的运行状态；所述3D打印动态模型的各所述作业机组模型相应设有多种传感器，以获取相应的模型运行状态参数；数字孪生系统，其依据所述设备构建的三维数字模型；其中，所述数字孪生系统用于获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数；以及通过输入仿真指令令所述数字孪生系统进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型的各作业机组模型进行实物仿真；或通过输入操作指令操作所述流程工业设备的各作业机组的运行。
本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种大型流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述系统包括：
流程工业设备，其上设有多种传感器，以实时检测各作业机组的真实运行状态参数；
3D打印动态模型，其根据所述流程工业设备对应的三维数字孪生系统通过3D打印而成；其中，所述3D打印动态模型的各作业机组模型设置有动力总成与电力总成，以仿真各作业机组部分或全部的运行状态；所述3D打印动态模型的各所述作业机组模型相应设有多种传感器，以获取相应的模型运行状态参数；
数字孪生系统，其依据所述设备构建的三维数字模型；其中，所述数字孪生系统用于获取并显示所述真实运行状态参数和/或所述模型运行状态参数；以及通过输入仿真指令令所述数字孪生系统进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型的各作业机组模型进行实物仿真，或通过输入操作指令操作所述流程工业设备的各作业机组的运行。
2.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述数字孪生系统获取方式包括：
基于流程工业设备的关键机组设备与地形厂房的CAD图纸、现场实景图及影像资料，利用点云扫描技术生成等价数字化的数字孪生系统；
对生成的数字孪生系统进行减面、结构调整及外观调整处理，并完成贴图制作。
3.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述作业机组包括：定宽机、粗轧机、精轧机、飞剪切头、力推炉、时效炉、艾伯纳辊低炉、拉伸机、卷取机中任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述真实运行状态参数或模型运行状态参数包括：电流、电压、温度、压力、扭力、角度、转速、位移及功率中任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述3D打印动态模型包括：单片机、通信器、电机、控制线缆、加热器、水泵、传感器，以供部分还原流程工业设备的运行状态，或依据所述数字孪生系统发出的输入调试执行相应运动。
6.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述流程工业设备、3D打印动态模型及数字孪生系统之间通信连接，以供实现三者之间实时的虚实联动；所述通信连接方式包括有线网络和/或无线网络；其中，所述有线网络通信包括：以太网和/或RS485；所述无线网络包括：GPRS、NB-IOT、4G、5G及WiFi中任意一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，所述3D打印动态模型的各作业机组模型与所述流程工业设备的各作业机组均遵循相应的尺寸比；各所述作业机组模型所提供的运行参数与各作业机组提供的运行参数同样遵循相应的比例。
8.根据权利要求1所述的流程工业设备的数字孪生虚实联动系统，其特征在于，在所述数字孪生系统用于通过输入操作指令操作所述流程工业设备的各作业机组的运行的情况下，所述操作指令依据虚拟仿真的结果和/或实物仿真的结果进行设置；和/或，在所述数字孪生系统通过输入仿真指令令所述数字孪生系统进行虚拟仿真或令所述3D打印动态模型的各作业机组模型进行实物仿真的情况下，所述仿真指令依据所述真实运行状态参数进行设置。
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